D1 1 Partikelformede bjergarter Af Kurt Kielsgaard Hansen Sigteanalyse Kornstørrelser kan defineres ved hjælp af sigter med trådvæv med kvadratiske masker. Et korn, som ved en nærmere specificeret forsøgsprocedure passerer en given sigte, siges at være mindre end maskevidden i sigten, medens et korn, som tilbageholdes, siges at være større. På denne måde kan ethvert korn placeres i et kornstørrelsesinterval. Sigtningen går da ud på at bestemme den forholdsmæssige fordeling af materialets korn i en sammenhængende række af passende snævre kornstørrelsesintervaller. Sigtningen består i, at en prøve rystes igennem en serie sigter, således at den opdeles i mindre portioner, kaldet fraktioner eller sigterester. Alt efter prøvens karakter kan sigtningen udføres som vådsigtning eller tørsigtning. Vådsigtningen, hvor materialet skylles gennem sigten med vandspuling, giver principielt det rigtigste resultat. Men da tørsigtningen er simplere at udføre, foretrækkes den altid, når ikke forholdene taler afgørende imod at benytte den. I begge tilfælde tørres og vejes prøven inden sigtningen. I regelen vil tørringen medføre, at partikler, der i fugtig tilstand klistrer til hinanden, løsnes så meget, at de under sigtningen rystes helt fri. Den enkelte sigte er udformet som en lav metalcylinder (diameter sædvanligvis 200 mm), hvis bund består af metaltrådsvæv med kvadratiske masker. Et standardsigtesæt består af en serie sigter, hvis maskevidder er 1/8, 1/4, 1/2, 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64 og 128 mm, plus et bundkar og et låg. Hele sigtesættet kan samles til en stabel (en sigtesøjle) og rystes i en speciel rystemaskine. Resultater Når prøven er færdigsigtet, adskilles stablen af sigter, og de enkelte fraktioners tørmasse bestemmes. Resultatet af sigtningen fremkommer da i første omgang som en talrække, der angiver masserne i de enkelte fraktioner. En sådan talrække benævnes en sigteanalyse. Et eksempel på en sigteanalyse er vist i tabel 1, hvor kolonne 1 angiver maskevidden og kolonne 2 massen af hver fraktion. Endvidere er summen af tallene i denne kolonne udregnet som kontrol, idet en afvigelse fra prøvens masse før sigtningen på mere end 1 % tages som indicium på en grov fejl, således at sigtningen må gøres om. 1
Tabel 1 Eksempel på sigteanalyse (histogram) med tilhørende beregning af sumkurve og kornkurve. Da formålet med sigtningen er at beskrive kornenes fordeling efter størrelse, er det naturligvis i princippet kornenes samlede (absolutte) rumfang, ikke deres masse, der i sigteanalysen skal anføres for hver fraktion. Fordelingen efter rumfang vil afvige fra fordelingen efter masse, hvis korndensiteten ikke er den samme for alle korn. For de almindeligt benyttede grustyper er densitetsvariationen gerne så lille, at der ikke er nogen mærkbar forskel mellem de to fordelinger. Grafisk afbildning Sigtningen har til formål at karakterisere en fordeling. Figur 1 viser det såkaldte histogram eller søjlediagram for sigteanalysen i tabel 1. 2
Figur 1 Histogram. Abscisseaksen i diagrammet har en logaritmisk inddeling, der svarer til standardsigtesættet, medens ordinaten er aritmetisk inddelt og angiver massen af hver enkelt fraktion. Histogrammet gengiver materialets kornstørrelsesfordeling på en overskuelig måde, men er ikke hensigtsmæssigt til beregningsformål. Hertil er den såkaldte kornkurve langt bedre. Kornkurven udvikles fra histogrammet, idet der først opbygges et trappediagram, der som histogrammet er vandret inden for hver enkelt fraktion. Ordinaten for den enkelte fraktion angiver mængden i den pågældende fraktion plus alle finere fraktioner, eller med andre ord den samlede mængde materiale, som har kunnet passere den sigte, der danner øvre grænse for fraktionen. I fortsættelse heraf defineres en kurve, hvis ordinater ikke blot for intervallernes øvre grænser, men for enhver abscisse angiver gennemfaldet for en sigte, hvis maskevidde er lig med den betragtede abscisse. De direkte målte gennemfald for standardsigterne bestemmer enkelte punkter på denne kurve, og idet der i mangel af bedre regnes med en (logaritmisk) jævn fordeling af kornstørrelserne inden for den enkelte fraktion, fremkommer sumkurven ved, at disse punkter forbindes med rette linjer, figur 2. Figur 2 Trappediagram og sumkurve. 3
Gennemfaldene for sumkurven omregnes fra masse til masseprocent af samlet prøve, således at kurven bliver karakteristisk for selve materialet og ikke blot for analysemængden; den kaldes materialets kornkurve, figur 3. Figur 3 Kornkurve. Definitioner i relation til kornkurven Kornkurven er lidt uhåndterlig, og i mange tilfælde kan man klare sig med simple, afledte parametre, blandt hvilke den mest brugte er maksimalkornstørrelsen. Ved maksimalkornstørrelsen forstås den mindste standardmaskevidde, som lader hele materialet passere. Desuden karakteriseres kornkurven ved brug af kornstørrelsen d ved 10, 50 og 60 % gennemfald, markeret ved index på dxy. d10 har betydning som vikarierende parameter for hydraulisk diameter for porehalse, d50 definerer middelkornstørrelsen, og d60 bruges ved fastlæggelsen af kornkurvens sortering (gradering) ud fra følgende formel: U = d60/d10. Her anvendes U så til fastlæggelse af, om materialet er velsorteret <2, sorteret 2-3,5, ringe sorteret 3,5-7 og usorteret >7. /D1.2/ Sedimentationsanalyse En tørsigtning, som beskrevet ovenfor, er velegnet til måling af grus, men ikke til måling af de små partikler i ler. Derfor må benyttes andre metoder, f.eks. en sedimentationsanalyse efter Andreasen til partikler mindre end ca. 75 μm. Hertil benyttes et apparat, Andreasen-pipetten. En opslæmning i en egnet væske, f.eks. ethanol, anbringes i pipetten. Efter omrystning af pipetten suges en nulprøve på 10 ml op af pipetten, og efter afdampning af væsken bestemmes nulprøvens faststofindhold ved vejning. Der udtages herefter på lignende måde 6-8 prøver fordelt over et døgn. Ud fra prøvernes faststofindhold, udtagningstidspunktet samt de love, der er gældende for sedimentation, kan en sumkurve beregnes og optegnes. 4
Fysiske karakteristika: Densiteter, absorption mv. I almindelighed ligger korndensiteten mellem 2500 og 2700 kg/m 3, afhængig af den mineralogiske sammensætning og kornenes porøsitet. For porøse korn er korndensiteten ikke noget entydigt begreb. Man arbejder alt efter sammenhængen med 4 densitetsbegreber: - absolut faststofdensitet 0 - tilsyneladende faststofdensitet 1 - korndensitet i tør tilstand d - korndensitet i vandmættet, overfladetør tilstand ssd og de dermed sammenhørende parametre til karakterisering af porøsitetsforholdene: - porøsitet p - vandabsorption w a. Størrelserne 0, 1 og p anvendes dog sjældent. De forskellige rumfangsbegreber, der ligger til grund for definitionen af de forskellige densiteter, er illustreret i figur 4. Definitionerne er forklaret i det følgende. Figur 4 Rumfangsdefinitioner. Korndensitet i tør tilstand, d, defineres som kornets masse i tør tilstand divideret med kornrumfanget, hvor kornrumfanget udgøres af faststof + lukkede porer + åbne porer. Korndensiteten i vandmættet, overfladetør tilstand, ssd, defineres som kornets masse i vandmættet, overfladetør tilstand divideret med kornrumfanget. Vandabsorptionen er massen af det vand, der kan rummes i de åbne porer, divideret med massen af det tørre korn. Den hænger sammen med de to korndensiteter ved ligningen w a = ( ssd - d)/ d. Kornhobens densitet Kornhobens densitet angiver materialets masse pr. rumfangsenhed, idet kornmellemrummene medregnes til rumfanget. Kornhobens densitet er følgelig ikke nogen materialekonstant på samme måde som de ovenfor omtalte densiteter, eftersom den afhænger af kornenes lejringstæthed, der igen afhænger af gradering, kornform, kantethed, fugtindhold, forudgående bearbejdning mv. 5